8毫米波均勻介質球透鏡多波束天線的研究

向 博 孟洪福 竇文斌 何敏敏 陳 森

（東南大學毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

引 言

在通信衛星中采用多波束天線技術，單一口徑就能實現天地之間的多點通信，以較高的增益覆蓋較大的地面區域，并且能夠根據需要調整波束形狀，從而大大地提高了衛星通信的容量和效率。多波束天線在星間鏈路通信、數據鏈通信、移動通信等領域同樣有著重要的應用價值。

反射面多波束天線是在普通反射面天線的基礎上發展起來的，多波束反射面的類型主要有拋物環面、拋物面和球面反射面［1］。相控陣多波束天線主要通過饋源系統的相位控制使天線提供多波束［2-3］，但需要大量昂貴的移相器以及較為復雜的設計與調試。透鏡天線是多波束天線的又一種常見實現形式，相比于前兩種多波束天線，透鏡天線具有很好的旋轉對稱性，保留了良好的光學特性，且沒有對饋源的阻擋等優點。缺點就是透鏡質量大，但當天線的工作頻率提升到毫米波頻段時，透鏡天線的尺寸將大大減少，質量大的問題將不復存在。透鏡天線作為多波束天線的一種，主要應用于毫米波、亞毫米波等高頻領域。因而研制毫米波頻段的透鏡多波束天線，具有重要的現實意義。

龍伯透鏡要求介質體內折射率隨半徑的不同而連續變化，這樣加工上的難度［4］以及成本的高昂為龍伯透鏡的廣泛應用帶來了困難，犧牲部分性能換取加工制作上的容易，這是工程中常見的做法。只要設計得當，采用均勻介質球透鏡替代龍伯透鏡同樣能實現良好的匯聚作用［5-6］，而加工制作的難度卻大大降低。文獻［7］設計了在Ku波段基于均勻聚四氟乙烯橢球透鏡的360°掃描天線，副辨電平低于-17dB，3dB波束寬度為16°，但是只是實現了水平方向的掃描；文獻［8］研制了一個Ka波段用8×2的漸變線天線（TSA）單元陣列饋電的天線，在水平和垂直面分別達到128°和30°的覆蓋，饋源采用平面結構的TSA.文中設計的毫米波多波束天線選用聚四氟乙烯作為透鏡材料，圓波導為饋源［9-11］。充分利用球透鏡和圓波導的對稱性，減少計算量的同時實現了波束的一致性，而且這種結構更容易擴展很多波束實現大范圍的水平和垂直掃描。

1.多波束天線系統設計

1.1 均勻介質球透鏡天線

圖1即為均勻介質球透鏡示意圖，介質球中心位于O點，半徑為R，介電常數為εr，一點源位于-R-d處，光線經過透鏡時折射而發生匯聚效果。透鏡的匯聚效果與介電常數εr及d和R的比值有關。在饋源一定的情況下，饋源相位中心距離透鏡邊緣的距離d將會影響溢出效率。由于光程差不同，d必然影響口徑面上的相位分布，存在一個使透鏡效率最高的點和一個透鏡主瓣寬度最小的點。介質球透鏡的半徑R影響天線方向圖主瓣和增益，R越大天線方向圖主瓣越窄，增益越高。透鏡材料主要影響介質折射率。

單饋源情況下，設計的重點是優化d和R的值。多饋源情況下，各饋源之間的耦合也是設計時必須考慮的問題。文中天線采用圓波導為饋電單元。仿真分析采用商業軟件CST.

圖1 均勻介質球透鏡

1.2 單饋源性能分析

單饋源時球透鏡天線示意圖如圖2所示。R為均勻介質球透鏡的半徑；d為球透鏡與圓波導端口之間的距離；r為圓波導半徑，取2.781mm；球透鏡相對介電常數εr=2.1.

圖2 單饋源球透鏡天線示意圖

由于天線設計要求高增益，所以介質球透鏡的半徑不能低于50mm.由于電尺寸較大，利用CST軟件仿真計算時，充分利用了結構的旋轉對稱性，選擇對稱面以減少計算時間，降低內存。單饋源工作頻率為37.5GHz時仿真輻射方向如圖3（a）所示，饋電圓波導S參數如圖3（b）所示。

由仿真結果圖3可知:E面副瓣電平為-17.2dB，H面副瓣電平為-17.9dB，半功率波瓣寬度為5.1°，天線增益達到28.5dB，S11在工作頻率為35～40GHz范圍內低于-13dB.

通過掃描參數分析可知:介質球透鏡天線的副瓣電平和半功率波瓣寬度均隨著d／R值的變化而發生顯著的變化。當d不變R增大時，天線的增益明顯增大；當R不變d在一定范圍內增大時，天線增益減小，但是副瓣電平降低，且主瓣變光滑，半功率波瓣寬度增大。文中設計的球透鏡天線最后選擇R為55mm和d為20mm時，天線具有很好的輻射性能。

1.3 8波束輻射性能

由單饋源仿真分析可知:均勻介質球透鏡材料和半徑已確定。設相鄰波導軸線之間的夾角為α，當d確定后，考慮到實際加工圓波導有壁厚，如圖4所示，故有關系式α≥2×β.

在仿真軟件CST中建立仿真模型如圖5所示。多波束時仿真的重點就是優化d和α，使天線輻射性能最佳，相鄰波束波瓣交叉電平在-3dB處。

仿真結果如圖6（a）所示:H面副瓣電平為-17.7dB，半功率波瓣寬度為5.1°，此時的天線增益達到28dB，相鄰波束交叉點在-3dB，波束掃描范圍為-21°到+21°.圓波導端口的S參數如圖6（b）所示，基于結構的對稱性，文中只給出饋源1的S11和饋源1與其它饋源之間的互耦特性。在35～40GHz范圍內，S11低于-12dB，互耦低于-23 dB.由于饋源波導對稱排列，饋源2和饋源5關于饋源1對稱，由圖6（b）（見421頁）可知S21和S51相似，其它同理可以得出。

通過掃描參數分析可知:當α保持不變，d在一定范圍增大時，天線增益減小，但副瓣和后瓣電平降低，且主瓣變光滑，半功率波瓣寬度增大?？紤]到天線系統的設計要求和研制的難度，通過對結構參數d的掃描，可以得到當d=20mm和α=3°時透鏡天線有最佳的輻射性能:H面副瓣電平為-17.7dB，半功率波瓣寬度為5.1°，此時的天線增益達到28 dB，后瓣抑制在約-25dB，饋源互耦低于-23dB，相鄰波束之間的交叉電平在-3dB.

當d保持不變，饋源波導軸線間的夾角α增大時，相鄰波束交叉點電平降低，饋源之間的互耦也同時降低，半功率波瓣寬度略有變窄，副辨電平也略有變化。當夾角α為4°時相鄰波束交叉點電平為-7 dB，相鄰饋源互耦低于-29.8dB，半功率波瓣寬度為4.9°，副瓣電平為-17dB.

圖6 d／R＝0.364，α＝3°8波束球透鏡天線

1.4 饋電網絡設計

全向開關多波束饋電網絡原理如圖7所示。圖中S1、S2、…、S7為單刀雙擲開關，C為鐵氧體環行器。該饋電網絡的特點是:S1至S7均為全向開關，8個饋電單元共用一個環行器。以饋電單元1處于工作狀態為例，則在開關S1、S2和S4中，都是a端口和b端口相互導通，能實現信號的上行和下行傳輸，而端口c則處于隔離狀態，其它饋電單元的工作原理相同?？刂崎_關的工作狀態就可以實現多波束掃描。

圖7 開關饋電網絡原理圖

開關的設計主要包括波導微帶過渡和微帶單刀雙擲單片微波集成電路（MMIC）關，波導微帶過渡采用了一種新型結構［12-13］，建立模型如圖8（a）所示。仿真結果如圖8（b），S11在30～37GHz小于-20dB.

2.實物研制和測試結果

整個天饋系統包括了均勻介質球透鏡、饋源波導、毫米波開關、數字控制器、連接彎波導和系統的固定結構。毫米波電子開關實物照片如圖9（a）所示，均勻介質球透鏡天線與圓波導饋源實物如圖9（b）所示，數字控制器如圖9（c）所示。本文研制了16波束天饋系統，16個波導饋源，排成上下2排，每排8個，成對稱結構。測試中將上面一排饋源波導從右至左標識為1～8號，下面一排從右至左標識為9～16號。

通過數字控制器對毫米波開關供電進行控制，從而實現了16波束的掃描。

當均勻介質球透鏡天線工作在37GHz時，在微波暗室測試得輻射方向如圖10（見421頁）所示。該多波束天線實測了37GHz、37.5GHz和38GHz工作頻點，結果表明16個波束增益約為26～28 dB，所測的3個頻點的波束副瓣都低于-15dB，相鄰波束交叉點在約-5dB處。

由圖10測試數據可知:各個波束所對應的最大輻射方向圖與仿真結果略有偏差，增益也略有減小，各波束增益之間最大相差2dB，這主要是由于介質球透鏡存在一定的損耗，各路開關的損耗總和不一致，另外，機械加工裝配精度造成圓波導饋源還存在偏焦。通過對比圖6（a）和圖10輻射方向圖可知仿真結果和測量結果吻合較好。

3.結 論

論文采用均勻介質球作為天線透鏡進行多波束天線設計，首先分析單饋源情況，通過軟件優化參數，得到符合設計要求的最佳透鏡尺寸；在單饋源的基礎上，進行多饋源設計，仿真分析得到多波束天線增益為28dB，副瓣低于-17dB，相鄰波束交叉點在-3dB處；最后對饋電網絡進行設計。實物測試結果表明:該多波束天線系統增益約為26～28dB，副瓣電平都低于-15dB，相鄰波束交叉電平約在-5dB處。實測與仿真較好吻合，各項指標符合設計要求。該均勻球透鏡多波束天線可布置多層饋源，很容易實現擴展，從而設計出更多波束的掃描天饋系統。

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